计算机硬件装配的设计与实现
虚拟现实环境下的虚拟实验室
摘要：为了解决实验室设备更新缓慢、硬件浪费严重和潜力大的问题，本文针对传统计算机硬件装配实验过程中的危险，提出了一种设计方案基于沉浸式虚拟现实环境的计算机硬件装配虚拟实验室的具体的实现方法。采用3Ds Max和Unity3d软件创建3D模型，搭建场景，VR显示，采用Mojing SDK利用交互式界面的效果和工具，实现了虚拟实验室的设计与实现在移动设备中的应用。目前基于虚拟现实的虚拟实验室只能在Windows环境下运行，这种设计克服了这种局限性。此外，还具有丰富的场景和教程，本设计结合了head-安装显示器和体感控制器，大大提高沉浸感和交互性，从而增强学生的兴趣。这是一条提高传统实验教学效果的新途径。
1引言
虚拟现实技术，也被称为灵魂技术，是基于计算机技术和使用相关的科学和技术，形成类似的虚拟环境。在这个虚拟环境中，学习者可以做他们在现实世界中想做的任何事[1]。虚拟现实技术有三个特点：交互，沉浸感和想象力。根据浸没和相互作用的程度，虚拟现实一般可分为半沉浸式桌面虚拟现实系统和沉浸式虚拟现实系统[2]。半身临其境的桌面虚拟现实系统主要依赖于像计算机提供创建screenbased虚拟环境的3D建模工具。用户可以通过输入工具如鼠标和键盘实现人机交互。此系统的优点在于它的成本低和高渗透率[3]。缺点是操作环境会影响到沉浸的效果。沉浸式虚拟现实系统是指通过使用头戴式显示器，数据手套或其他手持设备完全关闭视觉，听觉和触觉，从而实现良好的沉浸式体验。
随着虚拟现实技术的发展，特别是在VR的第一年，谷歌，Facebook，HTC，小米和风暴等知名公司都直接或间接推出了他们的VR产品和计划。虚拟现实已经从计算机模拟演变为沉浸式虚拟现实，无疑为虚拟现实在教育中的应用提供了更多的技术支持。它在教育中的应用是由学生在虚拟现实相关硬件和软件呈现的三维虚拟环境中学习而实现的，其应用价值主要体现在四个方面：第一，为学习者创造更真实的学习场景，增加学习体验通过多感官互动[4];第二，提高学习者的动机和参与度[5];第三，让学习者独立学习;最后，弥合理论与实践之间的差距。近年来，虚拟现实技术被广泛应用于物理，化学，生物，历史，医学，农业，舞蹈，航空等各个教学领域，在协助和促进学生学习方面发挥了重要作用，并为学生提供了新的途径去改进传统的教学模式。目前，虚拟现实技术在教育中的应用取得了显着成效。但是，与国外技术和应用水平相比，国内实践研究尚处于起步阶段[6]。在中国教育领域，大多数理论和实践研究都是基于桌面虚拟现实系统（Desktop-VR），其交互性和沉浸性有待改善。以计算机硬件装配课程为例，许多学者进行了相关的研究，如四川师范大学的严丽娜，浙江工业大学的葛巧燕和渤海大学的李强，提出了基于3Ds Max和虚拟现实技术的计算机硬件组装虚拟实验室。但总的来说，由于开发技术和硬件的限制，虚拟实验室只支持在Windows环境中运行，并要求学习者在学习过程中通过键盘和鼠标与对象进行交互，缺乏沉浸感和交互性，导致学习兴趣不足，只能满足学习者的基本学习需求。本研究采用Unity3d技术作为开发平台，Mojing SDK作为VR效果的开发工具，智能手机作为虚拟实验室的操作环境，暴风眼镜和日梦传感器处理为虚拟现实显示和交互设备，在沉浸式VR环境中构建的虚拟计算机硬件组件实验室解决了以前的问题，即计算机硬件组装虚拟实验室没有身临其境，不能更改导致学习效率低的教学现状。
2虚拟实验室在VR环境中的设计
2.1教学内容设计
计算机硬件组装是中等职业技术学校计算机应用专业的必修课程之一，在学科学习发展的全过程中发挥着至关重要的作用。通过本课程的学习，学习者可以更好地了解计算机硬件的基本知识，提高他们组装计算机的实际能力。因此，计算机硬件装配虚拟实验室是以中职计算机硬件装配的教学目标为基础的。根据知识点的难度级别使用不同的表示方法[7]。根据知识点[7]的难易程度，采用不同的表示方法。在设计硬件名称、功能和参数的教学内容时，考虑到该部分的教学内容主要是为了使学习者正确理解计算机硬件的名称、功能和参数，因此采用三维模型和文本来增加教学的感性直观。在模拟装配方面，首先通过视频演示帮助学生明确计算机硬件装配过程中的注意事项，掌握如何正确装配计算机，这是整个虚拟实验室的核心部分。观看示范视频后，要求学习者使用体感手柄开始安装情境，提高动手能力。在设计常见硬件故障的教学内容时，要求学生熟悉常见硬件故障及其解决方案，提高学生解决问题的能力。因此，教学内容是以文本的形式呈现的。
2.2功能模块设计
在以上教学内容分析的基础上，将虚拟实验室的功能模块分为基础学习模块、虚拟实验模块和实验反馈模块。具体功能介绍如下。
2.2.1基础学习模块
基本学习模块分为硬件模型显示和硬件功能介绍两个子模块。硬件模型显示模块的主要功能是通过体感手柄交互装置，使学习者从第一人称视角漫游于虚拟世界，从任意角度观察各个硬件的基本结构，大大提高了学习的直观性，弥补了传统实验教学中由于缺乏硬件设备，学生无法近距离、长时间观察计算机硬件的教学问题。硬件功能介绍模块介绍了硬件的基本功能和当前主流参数。学生不仅可以了解硬件的基本功能和参数，还可以在学习后将这些知识应用到日常生活中，从而在未来购买一台电脑时，根据配置列表了解电脑的性能。当某些硬件随着时间的推移而更新时，管理员可以根据需要调整系统中的教学内容，以确保系统的先进性。
2.2.2虚拟实验模块
该模块是整个虚拟实验室的核心部分，由装配视频演示和仿真装配两个子模块组成。装备示范视频的教学内容是基于学习理论进行计算机硬件装配的教学视频，并通过对教材计算机的分析，提出了教学理论中算机应用专业硬件与装配维修的特点，帮助他们了解正确的安装步骤和注意事项，提高模拟装配过程的科学性和规范性。。学习者还可以根据需要观看模拟装配后的视频，找出装配过程中的错误操作。本部分围绕学习者模拟组装计算机，通过虚拟现实技术创造虚拟学习环境，获得临场感展开。学习者在学习过程中操作体感手柄，并接收相应的反馈。如果正确，所选计算机硬件将移动到主板的相应位置，系统将给出正确安装的反馈;如果出现错误，系统会给出相应的提示信息，帮助学生顺利完成实验任务。实验结果明显优于现有的一些计算机硬件装配虚拟实验室。
2.2.3实验反馈模块
该模块主要由两个子模块组成:常见故障案例和实验测试。常见故障案例模块是为介绍计算机硬件高频故障而设计的。
3基于VR环境的虚拟实验室的实现
3.1开发环境搭建
该虚拟实验室以Unity3d软件为主要开发环境，Mojing SDK为虚拟现实开发工具，3Ds MAX为三维模型开发工具。首先，在Unity3d软件中新建一个项目文件，在项目目录中新建一个Assets文件夹，用于存储Mojing SDK、3D模型、图像、音频和视频。这样我们就可以在开发过程中随时调用Unity3d配置的内存加载机制来动态观看场景的完成效果，从而提高场景的加载速度和运行性能。然后,Mojing SDK导入项目文件通过菜单栏的资产项下导入包,删除原来的主要场景相机视角,创建一个新的MojingMain作为主要相机在虚拟实验室中,然后利用资产菜单项下导入新资产所需的所有资源导入到这个项目。最后，对于每个功能页面，我们创建多个场景、sky框和地面系统来加载其教学内容。这是整个虚拟实验室的核心内容。实现加载场景，实现场景的切换。
3.2虚拟实验室主要功能模块的实现
根据以上功能模块的设计，本文将虚拟实验室分为不同的学习模块，学习者可以根据自己的实际需要学习相应模块中的教学内容。在虚拟实验室的开发过程中，每个实验功能模块都被封装在一个单独的场景中，并通过层次脚本进行链接，使学习者能够根据需要进行有选择性的学习。每个场景的具体实现如下:
3.2.1主菜单模块
一旦学习者进入虚拟实验室,他们第一次遇到菜单界面(如图1)。考虑到虚拟实验室的使用对象是学生从中等职业学校计算机应用专业的，界面布局的设计坚持完整的可导航的原则。完整性是指在使用过程中UI按钮是否与场景中的背景颜色一致，学习者觉得整个场景界面是一个整体，避免不必要的干扰分散学习者的注意力。导航是指设置的UI按钮能够准确导航，确保学习者根据自己的实际需要，清晰地选择相应的学习模块，不产生混淆。主菜单界面共设置4个UI交互按钮，分别为基础学习、实验组装、实验反馈、实验帮助。实验帮助为初次使用虚拟实验室的学习者提供指导，明确使用过程中的注意事项，帮助学习者更好地完成学习任务。学习者可以通过凝视互动选择相应的学习模块。就实现目光交流而言,首先我们应该导入界面资源在Photoshop CS6统一项目文件,创建一个画布在UI的场景, 在UI中添加一个Box Collider，用于碰撞检测;在画布中添加脚本代码，用于触发UI中的事件。核心脚本代码如下：
private void SetSelectedNode()
{
var forward = mainCamera.transform.forward;
if (Physics.Raycast(transform.position, forward, out hit,
000))
{
currentNode=hit.collider.gameObject.GetComponentlt;
Basiccontrolgt;();
} }
3.2.2基础学习模块
基础学习模块的主要功能是为学习者创造一个高度沉浸式、交互式的虚拟学习环境。在学习过程中，学习者根据他们自己的需要可以使用躯体感觉处理在现场从第一人称的角度和从任何角度观察硬件模型 (如图2所示),可以大大弥补了传统实验教学过程中的教学问题：学生不能在近距离观察某些硬件和很长一段时间由于缺少硬件设备。学习者能够与每个硬件交互模型通过head-controlled使用视线在学习过程中交互,在他们心中对名称、功能、基本参数和其他相关知识的硬件(如图3) 形成一个初步的概念，根据不同的硬件功能进行计算机模拟装配。如果学生想再次学习某一硬件，他们可以按下手柄上的触发按钮，回去反复学习。
虚拟漫游就是利用虚拟相机的位移来实现场景探索的效果。具体来讲说，实现虚拟探索就是将智能手机加速度传感器的数据与虚拟相机位移的四个方向，即前、后、左、右，形成映射关系。首先，在场景中创建一个角色控制器，应用控制器，并向其添加脚本代码。。在Update函数中移动，以动态更新控制器在脚本和输入中的位置。该方法主要用于获取手机X轴、Y轴、Z轴的加速度变量。在漫游过程中，如果角色控制器与场景中的其他物体发生碰撞，只能向左、向右或向后退，无法前进，以避免穿透其他物体，增强身临其境的体验。该功能由Unity3d提供的object engine实现，在场景中的虚拟相机和3D模型中添加一个控制器。场景漫游功能的核心脚本代码如下：
private void UpdateFunction()
{
Vector3 moveDistance = Vector3.zero;
if (MoveWithPlatform())
{
Vector3newGlobalPoint=movingPlatform.activePlatfor
m.TransformPoint(movingPlatform.activeLocalPoint);
moveDistance=(newGlobalPointmovingPlatform.activ
e-GlobalPoint);
if (moveDistance != Vector3.zero)
controller.Move(moveDistance);
} }
3.2.3虚拟实验模块
虚拟实验模块由装配视频演示和仿真装配两部分组成。对于装配视频演示，以视频的形式给出了实际环境中计算机硬件装配过程中的一些注意事项和具体操作步骤。在使用过程中，学习者首先可以通过体感手柄发出的光线在实验室中与黑板的三维模型进行交互。当碰撞事件触发时，播放计算机装配的教学视频，使学习者初步形成模拟装配前如何正确安装机器的概念，为后续模拟装配奠定理论基础。观看视频后，学习者可以自己模拟安装过程。由于仿真装配是整个虚拟实验室的核心部分，整个场景的设计遵循教育性、科学性、艺术性的原则。教育和科学的质量主要体现在基于教学目标的符合学生认知规律的内容设计上。艺术的本质体现在场景界面的布局、色彩和光线上，激发学生的兴趣。学习的兴趣。在本部分中，建立了一个高度沉浸式的虚拟实验环境，引导学生在已有理论知识的基础上完成模拟装配实验。以CPU的模拟安装为例，通过一个体感手柄控制光线的方向，可以检测到控制台上的所有硬件模型(如图4所示)，检测硬件的3D模型就是确定需要的硬件。此时，系统记录检测到的硬件的当前位置和数据的名称，并以硬件为发射点，将射线重新发射到主板的正确位置。射线将检测主板上设置的碰撞器，并将相应的标记数据反馈给脚本中的API。当硬件上获得的值由主板上某一位置获得的值判断并与条件匹配时，硬件将随射线移动到主板上的正确位置并给出正确的反馈。如果出现错误，则给出相应的提示，帮助用户成功完成实验任务(如图5所示)。，核心脚本代码如下：
void FindTarget()
{
if (hit)
{
if (info.transform.tag == 'Hardward')
{
if(info.transform.name==HardwardNumber.ToString())
lt;
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资料编号：[512]
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